基于星型量子网络的非定域性实验研究

The nonlocality of quantum network is the key resource of quantum information processing, which provides the security for many information processing tasks such as quantum communication. Star-shaped quantum network is a typical structure of quantum network, and contains more complex space-time relationship and nonlocality, compared with linear quantum network. However, due to the limitations of the current entangled photon distribution efficiency and photon detection technology, the relevant experimental research on quantum network is still mainly confined to the linear network structure of one hidden variable or two hidden variables, the research of star-shaped quantum network of three hidden variables is still in the theoretical exploration stage. Our project proposes to exploit high efficient quantum entanglement distribution and measurement technology, build a star-shaped quantum entanglement network of three hidden variables satisfying the space-like separation and realize the experimental test the nonlocality in the star-shaped quantum network, at the same time close the quantum entanglement source independence, locality, measurement independence and other loopholes. In addition, our project intends to implement the field test of multi-party quantum conference key agreement based on star-shaped quantum network, which will accumulate the experimental basis for application of multi-party quantum key agreement and further expand the practical application scenarios of quantum network technology.

量子网络的非定域性是量子信息处理的关键资源，为量子通信等信息处理任务提供了安全保障。星型量子网络作为量子网络的一类典型结构，相较于一维线型量子网络，拥有更为复杂的时空关系和非定域性性质。然而，由于当前纠缠光子分发效率和光子探测技术等限制，针对量子非定域性的实验研究仍主要基于包含一元或二元隐变量的线型网络结构，包含三元或更多隐变量的量子网络中的非定域性研究目前仍处在初步理论探索阶段。本项目拟通过开发高效率的光量子纠缠分发和探测技术，构建满足类空间隔的星型量子网络，实现对星型量子网络中三元非定域性的实验检验，并同时关闭量子纠缠源独立性、定域性、测量独立性等漏洞。此外，本项目拟基于星型量子网络完成多方量子会议密钥协商的外场实验演示，为多方量子密钥协商的实用化积累实验基础，进一步拓展量子网络技术的实际应用场景。

量子网络的非定域性是量子信息处理的关键资源，为量子通信等信息处理任务提供了安全保障。星型量子网络是量子网络的一类典型结构，本项目基于星型量子网络完成了以下四个研究工作：.1.本项目提出了一种新的量子网络结构，该网络是一个簇态的星型量子网络，其中每个EPR源向中心节点发送一个光子，将一个光子连续发送到一组节点，形成网络的一个分支。中心节点的测量可以随意激活不同网络分支节点之间的纠缠。在此网络结构下，我们推导出了一个通用的多元定域性理论，并在一个具有三对EPR 源的量子网络实验平台上检验了多元非定域性。.2.本项目在局域操作和共享随机性的框架下，通过解析理论的方法构造出了关于量子网络中真正全局性的多方非定域性检验的判据，揭示了量子两方、三方、多方非定域关联的可区分性。此外，我们在实验上通过对四光子、三光子Greenberger-Horne-Zeiling(GHZ)态和广义GHZ态进行研究，观测到了该判据的破坏，从而确立了四方非定域关联、三方非定域关联和两方非定域关联的明确区分，即高阶非定域关联不可能由任意低阶关联函数构建。.3.本项目针对星型量子网络中多方间的量子门隐形传输问题，提出了一种用一个控制量子比特和N-1个目标量子比特的远距离的多量子比特受控非门的协议。该协议利用N个辅助量子比特，巧妙地避免了远距离的N方间的直接相互作用。我们在一个保真度为0.86的光子量子网络中实现了三方受控非门的隐形传输，验证了该协议的正确性。此外，基于三方受控非门量子隐形传输协议，我们完成了分布式量子编码方案的实验演示，成功地将量子态编码为广义的三方GHZ态，平均保真度为0.83，这为分布式量子计算中实现多比特量子纠错码迈出了关键一步。.4.本项目通过开发三个独立激光源之间高可见的三光子干涉，建设了测量设备无关的多方量子密钥分发实验平台，完成了一个基于格GHZ态分布的多方量子会议密钥协商实验，并在60公里的光纤链路上实现了45.5比特/秒的成码率。